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FORMATO DP-3-APTANTEPROYECTO DE TRABAJO ESPECIAL DE GRADO, TRABAJO DE
GRADO Y TESIS DOCTORAL
I. IDENTIFICACIÓN DEL ESTUDIANTE GRADUADO
Apellidos y Nombres: CARLOS ALBERTO ALFARO CAMARGO
Cédula de Identidad:84,071.030
Profesión: DOCENTE
Programa: CIENCIAS APLICADAS Mención: FISICA
Dirección de habitación: calle 21 Nº 4-40
Teléfono:7267048 Celular:3004123051
E-mail:[email protected]
II. IDENTIFICACIÓN DEL TUTOR
Apellidos y Nombres: MANUEL BRICENO
Cédula de Identidad:9742247
Profesión: Universidad/Organización: Categoría/Dedicación:
Facultad: Escuela: Departamento:
Programa:
Dirección de habitación:
Teléfono: Celular:
E-mail:[email protected] [email protected]
III. IDENTIFICACIÓN DEL CO-TUTOR (si es el caso)
Apellidos y Nombres: LIZ AÑEZ
Cédula de Identidad:
Profesión: Universidad/Organización Categoría/Dedicación:
Facultad: Escuela: Departamento:
Programa:
Dirección de habitación:
Teléfono: Celular:
E-mail:
© Postgrado de Ingeniería, 2003
IV. IDENTIFICACIÓN DEL PROYECTO
Título: “ABSORBEDOR DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS CON DISEÑO PLANAR MULTICAPAS A BASE DE CARBÓN MINERAL, CACTUS, MADERA Y POLIURETANO”.
Programa: CIENCIAS APLICADA FISICA
Área a la que pertenece el proyecto: FISICA
Línea de investigación a la que pertenece el proyecto: ELECTROMAGNETISMO APLICADO
V. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
1. Resumen: (Máximo 300 palabras)La demanda de los equipos eléctricos y electrónicos que ha generado el adelanto tecnológico presenta un
inconveniente, irradiar de forma intencional o no cantidades variables de energía electromagnética alrededor
de su espacio circundante. Lo que conlleva a que la interacción de estos equipos produzca interferencia
electromagnética, cuyas consecuencias son: mal funcionamiento, perturbaciones en las comunicaciones y
riesgo para la salud. Por ello se hace necesaria la construcción de absorbedores de ondas
electromagnéticas que permitan controlar esta irradiación nociva. Es deseable que dicho dispositivo se
construya a partir de insumos del mismo medio, lo que implica una previa evaluación de sus propiedades y
un diseño que considere su forma, estructura, coeficiente de reflexión y atenuación.
En este trabajo se tratará de construir absorbedores de señal que trabajará con un rango de 800 MHz a 3
GHz del espectro radioeléctrico a través de un material absorbente de prueba de ondas electromagnéticas
que consta de carbón mineral , madera (cañaguate) ,cactus y poliuretano de geometría planar. En los
experimentos que se realizaran serán obtenidos con diagramas de radiación de antenas con diámetro
menor de 20 cm, independiente de factores climáticos, los resultados obtenidos se compararan con los
obtenidos en el espacio libre, además se tratará de comprobar que las señales externas no interfieran. Las
ecuaciones pueden ser resueltas explícitamente para algunos casos y configuraciones particulares (por
ejemplo, incidencia normal), las características prominentes de estas soluciones pueden ser analizadas en
algún detalle. También se presentará un desarrollo de la solución general de las ecuaciones. Este trabajo
podría ser aplicado en diseño de microondas en muy altas frecuencias y en líneas de transmisión no
simétricas, el absorbedor se construirá por capas con un espesor homogénea para cada mezcla entre el
poliuretano con cactus, cañaguate, y carbón mineral, luego se evaluará su coeficiente de absorción y
reflexión en el laboratorio de comunicaciones de la facultad de ingeniería de la universidad del Zulia.
Palabras claves: difracción, reflexión, atenuación, ondas electromagnéticas, antenas, cámara, absorbente.
2. Planteamiento y Formulación del ProblemaCuando se habla de radiación se refiere tanto a flujos de partículas subatómicas (electrones, protones,
© Postgrado de Ingeniería, 2003
neutrones, neutrinos, etc.) como a ondas electromagnéticas (rayos x, rayos gamma, etc.).
Cuando la energía que transportan las radiaciones es muy grande, al atravesar la materia producen la
ionización (pérdida o ganancia de cargas) de los átomos a su paso. La existencia de átomos ionizados
(cargados) puede producir graves perturbaciones en los tejidos vivos y en otros sistemas delicados, como
los circuitos electrónicos. Las radiaciones nucleares (las que emiten los núcleos de elementos pesados:
rayos alfa, beta y gamma), los rayos x y los rayos cósmicos son algunas de las radiaciones ionizantes más
comunes. Los flujos de partículas menos energéticas o las ondas de menor frecuencia (como la luz visible,
las microondas, la radiación de los tendidos eléctricos, las emisiones de radio y televisión, etc.) no producen
ionización apreciable, aunque comienza a ser materia de investigación sobre qué otro tipo de efectos
biológicos podrían originar.
El amplio tema de las radiaciones ionizantes ha sido y es profundamente estudiado no sólo por la Física,
sino también por la Biología y la Medicina, debido tanto a los posibles usos benéficos como a los daños que
podrían ocasionar.
Las ondas electromagnéticas transmiten pequeños paquetes de energía denominados fotones. Las
radiofrecuencias ocupan el rango entre 10 MHz y 300 GHz de frecuencia. Las antenas de telefonía móvil
lanzan ondas electromagnéticas con una frecuencia de 900 MHz para el sistema analógico (GSM) y de 1800
MHz para el digital (DCS), pulsadas en muy bajas frecuencias, generalmente conocidas como microondas
(300 MHz-300 GHz), con bastante similitud al espectro de los radares. Las microondas llevan la información
sonora por medio de ráfagas o pulsos de corta duración con pequeñas modulaciones de su frecuencia, que
se transfieren entre los teléfonos móviles y las estaciones base. Las estaciones base emiten microondas
continuamente aunque nadie esté utilizando el teléfono móvil (Hauman et al., 2002). Los campos
electromagnéticos intrínsecos a las estructuras biológicas están caracterizados por determinadas
frecuencias específicas, que pueden verse interferidas por la radiación electromagnética incidente,
provocando una inducción y modificando su respuesta (Hyland, 2000). La radiación recibida depende
principalmente de la distancia y de la visión directa (sin obstáculos entre la emisora y el receptor), pero
intervienen además otros factores como el tipo de antena, su localización, la distancia vertical entre emisor y
receptor etc.
Los estudios realizados indican que las radiaciones de frecuencia extremadamente baja inducen corrientes
eléctricas en el interior del organismo que pueden alterar la circulación de iones o provocar una estimulación
directa de las células moleculares y nerviosas. Por otro lado las radiaciones por radiofrecuencias y
microondas pueden ocasionar un calentamiento de la materia debido a que la energía de la radiación
aumenta la temperatura. Las radiaciones visibles y ultravioletas pueden inducir reacciones fotoquímicas; las
radiaciones ultravioletas son las de más energía y no son visibles ni detectables por los sentidos humanos,
su adaptación industrial esta en el uso de lámparas de vapor de mercurio, arcos eléctricos utilizados en
desinfección de productos o salas, inducción de reacciones fotoquímicas, insolación de planchas en artes
graficas, soldadura de metal al arco etc. los efectos de esta radiación se producen sobre todo en la piel
(eritema, cáncer de piel) y en el ojo conjuntivitis. La radiación resulta tan letal para los tejidos vivos porque
no reparte uniformemente la energía que suministra al tejido (en cuyo caso cada porción no recibiría una
© Postgrado de Ingeniería, 2003
cantidad muy grande de energía) sino que la concentra en algunos átomos aleatoriamente repartidos, y esto
produce el rompimiento o la alteración de moléculas biológicamente imprescindibles. Esto puede acarrear el
mal funcionamiento transitorio o permanente de la célula, la mutación de su material genético y hasta la
muerte de la célula (en casos extremos, de todo el organismo (Gil, 2001)
La interacción de las radiaciones sobre el organismo humano ocasiona un efecto distinto según sea la
frecuencia de radiación y el tiempo al que se está expuesto. Lo anteriormente mencionado ha conllevado a
que muchos investigadores especializados empiecen a interesarse a experimentar con algunos modelos de
absorbedores de ondas electromagnéticas para evitar sus efectos biológicos en frecuencias desde 0.5 Hz
hasta 300 GHz (Scardino, y cols., 1998; Repacholi, 1998).
Los absorbentes pueden ser de tipo ferrita de forma piramidal o planar que son fabricados de espumas
(polímeros) impregnados con carbón los diseños encontrados en el mercado tienen una densidad de 14
kg/m3 y las medidas de estas planchas son de 1.2m x 0.24m y de 1.2m x 1.2m x 0.33 respectivamente.
En la industria los materiales que se utilizan para absorber campos eléctricos deben poseer alta resistividad
dieléctrica y bajo factor de perdida, pero la constante dieléctrica debe ser baja para poder impedir la
polarización y a si no almacenar carga en el material. Es de Hacer notar que los materiales son muy
costosos lo que hace poco comercial el diseño de absorbedores de ondas electromagnéticas. Por otra parte
existen otros materiales comunes en el medio y de bajo costo que podrían tener propiedades absorbentes,
tal es el caso del Yotojoro, corazón del cactus, materia prima que usan los Wayuu para la construcción de
sus casas, hasta el momento no existe conocimiento de sus posibles propiedades como absorbedor;
también es común el uso del Cañahuate, árbol de madera durísima, tronco recto y delgado de bellísimas
flores, abundante en Colombia y Venezuela. La necesidad de contar con absorbedores de ondas
electromagnéticas efectivos de bajo costo y fácil construcción hace surgir la siguiente pregunta de
investigación.
¿Es posible construir un absorbedor de ondas electromagnéticas con diseño planar multicapas a base de carbón mineral, cactus, madera y poliuretano?
Tomándose en cuenta las anteriores consideraciones se pretende fabricar un tipo de absorbedores de este
tipo de ondas con el ánimo de minimizar un poco los peligros que estas mismas pueden incidir en la salud
del ser humano y, la interferencia en dispositivos electrónicos.
3. Justificación y Delimitación de la Investigación
Como se ha mencionado los rápidos avances en las comunicaciones inalámbricas la densidad de la
radiofrecuencia (RF) y de microondas en nuestro entorno se está convirtiendo en un grave problema, la
© Postgrado de Ingeniería, 2003
existencia de átomos ionizados (cargados) puede producir graves perturbaciones en los tejidos vivos y en
otros sistemas delicados; la radiación resulta tan letal para los tejidos vivos porque no reparte
uniformemente la energía que suministra al tejido (en cuyo caso cada porción no recibiría una cantidad muy
grande de energía) sino que la concentra en algunos átomos aleatoriamente repartidos y, esto produce el
rompimiento o la alteración de moléculas biológicamente imprescindibles. Esto puede acarrear el mal
funcionamiento transitorio o permanente de la célula, la mutación de su material genético y hasta la muerte
de la célula. El espectacular incremento que ha experimentado en los últimos años el uso de equipos
eléctricos y electrónicos, han hecho que también haya aumentado la posibilidad de que unos equipos
puedan interferir con otros debido a sus propiedades electromagnéticas, los voltajes y corrientes que
circulan en un sistema producen campos EM que abarcan y afectan a otros equipos; estos campos ejercen
fuerzas sobre los electrones de conducción induciendo en los otros equipos voltajes y corrientes no
deseadas, es decir interferencia. Prácticamente todos los equipos con sus interconexiones (cables y
conectores) están afectados por el problema de EMC. En general el rango de frecuencias en el que hay que
considerar fenómenos electromagnéticos es mucho más ancho que la banda de frecuencias de interés o de
funcionamiento del equipo en cuestión. Los problemas de interferencia electromagnética (EMC) son muy
variados. Así, por ejemplo el ruido eléctrico generado por el sistema de encendido de un automóvil produce
interferencia en la radio, un robot puede ejecutar alguna acción fuera de control como consecuencia de la
interferencia de un pulso o, lo que es más grave, una interferencia puede perturbar los sistemas de
navegación y control de un avión o activar el sistema de ignición de un misil; debido a esto es necesario
proteger tanto a los dispositivos electrónicos como a los seres humanos de los efectos negativos de esta
radiación EM. La solución obvia es la aplicación de una jaula de Faraday, sin embargo, como una jaula sólo
refleja la radiación y aún más lo que aumenta el nivel de fondo de radiación. La alternativa podría ser utilizar
materiales absorbentes, tales materiales absorbentes convierten en calor las radiaciones
electromagnéticas, aunque el principio de funcionamiento es relativamente simple; el diseño y desarrollo de
una práctica de absorción resulta muy compleja.
Muchos de los absorbedores convencionales están preparados a base de ferrita, polímeros, carbón
activado entre otros los cuales son materiales muy costosos en el mercado y, en el peor de los casos
difíciles de hallar. La importancia del absorbedor de ondas electromagnéticas radica en su construcción
con elementos del medio a bajo costo, que podría aliviar un poco la anterior situación; su diseño será de
capas con una geometría plana y se evaluara, los coeficientes de reflexión y atenuación.
En el transcurso de esta investigación se presenta algunos conceptos básicos relativos a amortiguadores
electromagnéticos, la caracterización de un absorbente, y una previa evaluación de sus propiedades, al
igual que la de su forma, estructura, coeficiente de reflexión y atenuación. Esto será seguido de una
presentación y discusión de los materiales que se tomaran para fabricar amortiguadores y las
características de absorción al igual que su diseño geométrico.
El principio de funcionamiento de los posibles absorbedores es que debido a la absorción de la capa activa,
la onda que se refleja se reduce significativamente. Sin embargo, una parte significativa de la onda incidente
puede reflejarse en el aire, la absorción de la interfaz del absolvedor planar y las características de de la
materia activa tiene que ser ajustado para ambas y eliminar esta reflexión para lograr un nivel suficiente de
© Postgrado de Ingeniería, 2003
absorción.
Esta capa de absorción se puede hacer de cualquiera de los materiales magnéticos blandos dieléctrico o
con un adecuado tangente de pérdida en nuestro caso carbón pulverizado, cañaguate pulverizada y yotojoro
pulverizado (corazón del cactus), cada capa será mezclada con 475 gr de poliuretano.
4. Objetivos Generales de la Investigación
Proponer un dispositivo a base de carbón mineral, cactus, madera y poliuretano como absorbedor planar de ondas electromagnéticas.
5. Objetivos específicos de la investigación
Determinar los coeficientes de absorción y atenuación del cactus, carbón mineral, y cañaguate
Analizar las propiedades absorbentes del carbón mineral, madera (cañahuate) y cactus.
Diseñar un dispositivo de forma planar para la absorción de ondas electromagnéticas.
Validar la efectividad del dispositivo planar multicapas construido a base de carbón mineral, poliuretano, cactus y madera (cañaguate) como absorbedor de ondas electromagnéticas.
6. Hipótesis (NO aplica)
7. Antecedentes de la Investigación (utilice mas páginas de ser necesario)Con la finalidad de sustentar la presente investigación se realizó la revisión del material bibliográfico,
trabajos especiales de grado y otras investigaciones relacionadas con el tópico. A continuación se presentan
algunos trabajos de investigación los cuales fueron tomados como antecedentes para este proyecto debido
a la relación existente entre el título y contenido.
En el Octavo Congreso Internacional de la IRPA (INTERNATIONAL RADIATION PROTECTION
ASSOCIATION) (Montreal, Mayo 18-22, 1992), fue establecida una nueva organización científica
independiente La Comisión Internacional para la Protección contra las Radiaciones No Ionizantes, que tiene
como funciones investigar los peligros que pueden ser asociados con las diferentes formas de RNI(radiación
no ionizante) . Desarrollar recomendaciones internacionales sobre límites de exposición para las RNI, y
tratar todos los aspectos sobre protección contra las RNI contra efectos adversos a la salud conocidos.
Surgió entonces, la Recomendación ICNIRP (INTERNATIONAL COMMISSION ON NON-IONIZING
RADIATION PROTECTION): Recomendaciones para limitar la exposición a campos eléctricos, magnéticos
y electromagnéticos (hasta 300 GHz).
El siguiente cuadro resume los límites de exposición recomendados correspondientes a los tipos de
tecnologías que han causado preocupación en la sociedad, la electricidad en el hogar, las estaciones base
de telefonía móvil y los hornos de microondas. La última actualización de estas directrices se realizó en abril
de 1998.
© Postgrado de Ingeniería, 2003
Tabla 1. Limites de exposición recomendados por la ICNIRP. Fuente (ICNIRO, 1998)
Los límites de exposición recomendados de algunos países de la antigua Unión Soviética y los de países
occidentales pueden llegar a diferenciarse. En julio de 1999 el Consejo de la Unión Europea publicó una
recomendación para limitar la exposición del público en general a campos electromagnéticos (de 0 Hz a 300
GHz). Esta recomendación se basa en gran medida en la guía de la ICNIRP y uno de sus objetivos es
homogeneizar la normativa sobre campos electromagnéticos de cada uno de los países de la Unión
Europea. Adicional a lo anterior, la normatividad emitida por los diferentes países a nivel mundial para los
límites máximos de frecuencias de los campos electromagnéticos, se establece a partir de los niveles
máximos permitidos para las emisiones de campos electromagnéticos instaurados por la CNIRP.
(ICNIRP, 1996).
En América Latina las autoridades de la mayoría de los países han adoptado normas específicas que
regulan tanto el nivel de CEM permitidos, como el despliegue de infraestructuras, disposiciones que afectan
a diversos aspectos que resultan concurrentes con el puramente tecnológico, como es el urbanístico, el
medioambiental y el sanitario; estas normas han sido establecidas bajo los principios constituidos de los
valores límites determinados por la Unión Internacional de Telecomunicaciones –UIT- y por la Comisión
Internacional para la Protección de la Radiación No Ionizante –ICNIRP. Países como Argentina, Bolivia,
Brasil, Chile, Perú, Puerto Rico, Colombia, Honduras, México, Nicaragua, República Dominicana y
Venezuela disponen de normativa, mientras otros seis se encuentran en diversas fases previas a su
adopción como son Cuba, El Salvador, Guatemala, Panamá, Paraguay y Uruguay. Dentro de los países de
América Latina, Chile es uno de los que considera exclusivamente la telefonía móvil dentro de su norma,
mientras el resto de países incluyen todos los servicios y sistemas radioeléctricos.
En Colombia el Ministerio de Comunicaciones, la Comisión de Regulación de Telecomunicaciones y la
Universidad Javeriana realizaron un estudio acerca de los “Límites de exposición humana a campos
electromagnéticos”. Dicho estudio presenta los conceptos más importantes como las regulaciones
© Postgrado de Ingeniería, 2003
frecuencia de la red europea
frecuencia de estaciones base de telefonía móvil
frecuencia de los hornos de microondas
frecuencia 50 HZ 50 HZ 900 MHZ 1.8 GHZ 2.45 GHZ
Campo eléctrico (V/m)
campo magnético (µT)
densidad de potencia (W/m2)
densidad de potencia (W/m2)
densidad de potencia (W/m2)
limites de exposición para la población
5.000 100 4.5 9 10
limite de exposición ocupacionales
10.000 500 22.5 45 -
internacionales y recomendaciones sobre radiación electromagnética producida por antenas de
telecomunicaciones; de la misma forma recomiendan el estándar que se podría adoptar en Colombia para la
protección de la salud humana y el medio ambiente en general. Este estudio se tomó como una de las
bases para establecer el decreto 195 en el año 2005, además de las referencias tomadas de los niveles de
exposición a campos electromagnéticos sugeridos por la Comisión Internacional para la Protección de la
Radiación Ionizante, ente asesor de la Organización Mundial de la Salud, la Unión Internacional de
Telecomunicaciones y la Unión Europea, es de suma importancia saber que La OMS en la publicación de
internet, hace referencia a que la exposición a campos electromagnéticos no es un fenómeno nuevo y que
en el siglo XX la exposición ambiental ha aumentado de forma continua conforme a la creciente demanda de
electricidad, el constante avance de las tecnologías y los cambios en los hábitos sociales, que han generado
aumento de fuentes artificiales de campos electromagnéticos. También afirma que todos estamos expuestos
a una combinación compleja de campos eléctricos y magnéticos débiles, tanto en el hogar como en los sitios
de trabajo, desde los que producen la generación y transmisión de electricidad, los electrodomésticos y los
equipos industriales, a los producidos por las telecomunicaciones y la difusión de radio y televisión. Los
campos eléctricos de frecuencia baja influyen en el organismo, como en cualquier otro material formado por
partículas cargadas. Cuando los campos eléctricos actúan sobre materiales conductores, afectan la
distribución de las cargas eléctricas en la superficie, provocan una corriente que atraviesa el organismo
hasta el suelo, también inducen corrientes circulantes en el organismo, la intensidad de estas corrientes
depende de la intensidad del campo magnético exterior; si es suficientemente intenso, las corrientes podrían
estimular los nervios y músculos o afectar a otros procesos biológicos (T.SAUNDERS. 2003).
Según la publicación realizada por Juan Represa y Carlos Llanos durante 1995 y 2000 en el libro “cinco
años de investigación sobre los efectos Biológicos de los campos electromagnéticos de frecuencia industrial
en los seres vivos, con la colaboración de de la Universidad de Valladolid España y, el concejo superior de
investigaciones científicas UNESA Y red eléctrica de España cuyo objetivo era estudiar el cáncer, las
enfermedades degenerativas y mal formaciones congénitas producidas por los campos electromagnéticos
lograron experimentar que huevos de aves expuestos a intensidades de campos electromagnéticos de tan
solo 10µT mostraban alteraciones en la fertilidad, tamaño de las crías, supervivencias, malformaciones.
(REE-CEM, 2001)
La glándula pineal responde a la exposición a determinados campos electromagnéticos con una reducción
de la síntesis de melatonina (Olcese, 1990). El descenso de la melatonina puede alterar los ritmos
circadianos y favorecer la aparición de depresiones y procesos tumorales (Bardasano y Elorrieta, 2000). Se
ha notificado un déficit de atención junto con trastornos de la función motora, la memoria y el tiempo de
reacción en niños que vivieron en las proximidades de una estación de radar (Kolodynski y Kolodynska,
1996) Radiaciones de microondas de 1,5 GHz. De frecuencia, con pulsos de 16 ms. de duración y 0,3
mW/cm2 de potencia, en sesiones de 30 minutos al día durante un mes, produjeron desadaptación, ansiedad
y alarma en conejos (Grigorievet al., 1995b). Se ha notificado una disminución de la supervivencia de niños
con leucemia cerca de antenas de televisión (Hocking y Gordon, 2000), y una reducción significativa del
riesgo de leucemia al aumentar la distancia a antenas de televisión (Hocking et al., 1996) o de radio
(Michelozzi et al., 1998). Existen estudios que muestran un incremento de la presión arterial y cambios en el
© Postgrado de Ingeniería, 2003
ritmo cardíaco de personas laboralmente expuestas a radiofrecuencias (Szmigielski et al., 1998). La
enfermedad de las radiofrecuencias o «síndrome de microondas» es una realidad médica, bastante
desconocida, provocada por la exposición a estas ondas (Johnson-Liakouris, 1998; Navarro et al., 2003).
A nivel industrial alguno absorbedores que están hechos de espumas cargados con humo negro que hacen
que la señal tenga pérdidas elevadas, estas espumas pueden ser pintadas con pinturas especiales, las
cuales deben tener también propiedades disipantes. Actualmente los materiales que se utilizan como
absorbentes de ondas electromagnéticas son muy escasos y en el peor de los casos muy costosos. Los
materiales que ofrecen mejores características de absorción son los polímeros, lo que se pretende es la
construcción de absorbedores con elementos del medio con un bajo costo.
Brito y López (2006) en su trabajo presentan los diferentes materiales que son utilizados para la
fabricación de cámaras anecoicas, se resaltan las espumas solidas, que es un polímero impregnado de
carbón, en el cual se aplica en el interior de las cámaras anecoicas y en especial para frecuencias entre 1 a
40 GHZ. Este producto es utilizado para reducir las ondas reflejadas por la antena fuente, para que la
antena bajo prueba reciba la señal directa sin atenuaciones. Se lo encuentra en diferentes variedades de
espesor que dependen de la frecuencia de trabajo de las antenas.
El trabajo presenta dos formas de absorbentes piramidales huecos que normalmente se pueden utilizar. El
más común es un producto hecho con espuma absorbente de fino espesor que envuelve a una pequeña
pirámide de espuma sólida. Este tipo de material es muy comercializado en Europa. El otro diseño de este
producto se hace recubriendo una capa delgada de un metal con una capa plástica y enlazando este con la
pirámide absorbente para darle soporte se utilizan para frecuencias menores a 1GHz, donde los materiales
absorbentes deben proporcionar un mejor funcionamiento.
Otra forma que el material puede tener es cónica. Este producto tiene la misma geometría que el material
piramidal, una misma dirección y forma uniforme en toda la plancha. Esta se utiliza especialmente cuando
se requiere guiar la energía a una pared específica. La reflectividad es la misma que en el material piramidal
del mismo espesor, donde le campo eléctrico es perpendicular a los conos. Otro absorbente para
microondas se realiza con el entrelazamiento de la espuma, es decir junta varios tipos de espesor dentro de
una misma plancha. Esto le da mayor funcionamiento al material, debido a que hay más probabilidades de
reflexión sobre el absorbente y mayor pérdida de energía.
El absorbente dieléctrico multicapa es formado de láminas uniformes de espuma tratada. El espesor de las
capas y la carga de carbón varían, dependiendo del espesor del producto. Este material se utiliza para
aplicaciones de laboratorio. Otro diseño aplicado es el Absorbente Dieléctrico Híbrido, el absorbente
multicapas es muy eficiente debido a que provee bajas pérdidas de la señal. Este proporciona un 33% más
material dieléctrico que un material piramidal del mismo espesor. Por lo tanto, una combinación de estos dos
materiales puede ser muy aplicable para frecuencias menores a 1GHz. Estos híbridos dieléctricos consisten
de un material piramidal propiamente cargado acoplados a capas sucesivas de dieléctrico. El absorbente
piramidal pasa cierta cantidad de energía al dieléctrico y de este modo disipan mayor cantidad.
Hay una gran demanda para pruebas en el rango de frecuencias de 30 a 1000 MHz, por lo que se ha
desarrollado una serie de materiales que optimicen esta aplicación. El material más común la lámina de
ferrita. Estas se han utilizado para bajas frecuencias desde los años 40. El incremento de volúmenes ha
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hecho que las tejas de ferrita vayan evolucionando.
Bases teóricas
Irradiación
Hayt (2006) define la irradiancia como la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad
de superficie de todo tipo de radiación electromagnética, también conocida como densidad de potencia. En
unidades del sistema internacional se mide en W/m².
En electromagnetismo se define la irradiancia como el valor de la intensidad energética promedio de una
onda electromagnética en un punto dado y se calcula como el valor promedio del vector de Poynting.
Vector de Poynting
Serway R. y Beichner R. (2002) definen el Vector de Poynting como aquel cuyo módulo representa la
intensidad instantánea de energía electromagnética y cuya dirección y sentido son los de propagación de la
onda electromagnética. De una manera más general el vector de Poynting puede definirse como el flujo de
energía de una onda electromagnética. Está dado por
(1)
Donde representa el campo eléctrico definido por
(2)
y el campo magnético definido por
(3)
siendo la permeabilidad magnética en el vacío.
Para una onda electromagnética plana la magnitud del Vector Poynting es
(4)
© Postgrado de Ingeniería, 2003
Recordando la relación entre los campos eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética
(5)
La ecuación (4) puede reescribirse como,
(6)
(7)
Dado que los campos eléctrico y magnético de una onda electromagnética oscilan con la frecuencia de la
onda, la magnitud del vector de Poynting cambia en el tiempo. Como se mencionó con anterioridad el
promedio del vector de Poynting sobre un periodo de tiempo muy superior al periodo de la onda es llamado
irradiancia, I:
(8)
Calculando el promedio del vector Poynting queda definida la irradiancia como
(9)
(10)
José Luis Sebastián (1999) en su libro fundamentos de compatibilidad electromagnética define los
siguientes conceptos:
Perturbación
Una perturbación se define como cualquier fenómeno EM que pueda degradar el funcionamiento de un
equipo o de un sistema o afectar de forma perniciosa a la materia viviente o inerte
Compatibilidad electromagnética (EMC)
Se define la compatibilidad electromagnética (EMC) como la habilidad de un dispositivo, equipo o sistema
de funcionar satisfactoriamente en un entorno EM sin introducir perturbaciones electromagnéticas no
tolerables en ninguna otra parte de su entorno (IEC)
© Postgrado de Ingeniería, 2003
Emisión electromagnética (EME)
La emisión electromagnética EME (eletromagnetic emission) es aquel fenómeno por el cual la energía
electromagnética emana de una fuente (IEC). La energía electromagnética puede alcanzar a un sistema por
radiación o por conducción. Estas dos formas de interacción o acoplo pueden estar presentes
simultáneamente y puede dar efectos no deseados dentro y fuera del sistema que contiene las fuentes de la
perturbación.
Susceptibilidad electromagnética (EMS)
Se puede definir la susceptibilidad electromagnética EMS (electromagnetic susceptibility) como la
incapacidad de un dispositivo, equipo o sistema de funcionar sin degradación en presencia de una
perturbación electromagnética (IEC)
Inmunidad electromagnética
Inmunidad electromagnética es la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema de funcionar sin
degradación en presencia de una perturbación electromagnética (IEC)
Coeficiente de reflexión total de una estructura multicapa
La transmisión de una onda TEM a través de una lámina de distintos tipos de medios nos puede servir de
base para obtener el coeficiente de reflexión total , debido a estructuras complejas formadas por una
serie de capas superpuestas, que son los absorbentes que se utilizaran en el laboratorio de física eléctrica.
Diseños de absorbedor electromagnético
Un absorbedor es un material con perdida que disipa en su interior toda la energía de una radiación
electromagnética que incida sobre él, de forma que no hay radiación reflejada de nuevo al exterior. Esta
disipación de energía se podría realizar por el efecto Joule en forma de calor al circular la corriente por los
conductores, los conductores tienen una impedancia intrínseca baja y por consiguiente actúan como muy
buenos reflectores a una radiación incidente externa; sin embargo, esta disposición de energía se puede
producir en estructuras formadas por múltiples capas con distintas propiedades eléctricas. En la superficie,
la impedancia intrínseca es muy próxima a la impedancia de la onda incidente, pero su conductividad va
aumentando gradualmente con la distancia en el interior de forma que el coeficiente de reflexión en la
frontera de cada capa se mantiene tan pequeño como sea posible y al mismo tiempo se permite la
disipación progresiva por efecto Joule de la energía de la onda incidente.
Factores importantes en el diseño de absorbentes
Es muy importante tener en cuenta las apreciaciones hechas por el Doctor José Luis Sebastián Franco en
© Postgrado de Ingeniería, 2003
su libro fundamentos de compatibilidad electromagnética “un buen absorbente debe tener un espesor
del orden de una longitud de onda de la frecuencia más baja de operación, ya que las ondas no se ven
afectadas por estructuras considerablemente más pequeñas que su longitud de onda y que la dispersión de
la radiación en la superficie depende no solo de sus propiedades absorbentes sino también de su forma
geométrica.” En la simulación, el absorbente está formado por múltiples capas superpuestas con distintas
propiedades eléctricas y el campo electromagnético puede tener cualquier ángulo de incidencia y estar
polarizado paralela o perpendicularmente a la superficie de la estructura. Algunas empresas como Holland
Shielding Systems B.V se han dedicado a la construcción de absorbedores con base de Ferrita dado que
es ligero y flexible y absorbe las ondas electrónicas, también reduce el ruido y absorbe los golpes.
Dependiendo del espesor, la absorción cubre un rango de 30 MHz a 5GHz. El tipo más grueso es más
eficaz para frecuencias bajas. Adhesivos conductores y no conductores pueden ser aplicados ya sea en la
parte superior o inferior, o ambas cosas.
Los materiales de absorción EMI se encuentran entre los productos de alta tecnología, tales como los
dispositivos electrónicos de LCD, ordenadores portátiles y de sobremesa. Los materiales de absorción de
ondas electromagnéticas se componen de materiales dieléctricos mezclados con ferrita, un material
magnético, en diferentes formas y tamaños. Debe ser capaz de absorber la energía electromagnética
perpendicularmente y con grandes ángulos incidentes en una amplia gama de frecuencias.
Carbón mineral
El carbón solo sin ninguna aleación es un no metal aun cuando una variedad suya, el grafito posea
características conductivas y guarde ciertas semejanzas con los semimetales este elemento presenta una
gran afinidad al momento de enlazarse con cualquier otro elemento, ya que forma configuraciones muy
estable, la idea es que el carbón transforme la onda en calor al momento que esta haga fricción con la
superficie del mismo. (López y Brito, 2006)
Cactus
Es de mucha variedad y de mucha existencia El cactus es la más famosa de las plantas suculentas y se
caracteriza por la presencia de púas y de tejido pulposo para conservar el agua en los tallos, hojas y raíces
cuando tienen que soportar períodos de sequía. El sentido etimológico de la palabra cactus proviene del
griego káktos, que se cree que utilizaban para designar a alguna planta parecida al cardo. Estas plantas
suculentas son de origen americano, en concreto de las regiones desérticas de Estados Unidos y México, la
Guajira venezolana y colombiana aunque se han extendido por todo el mundo gracias a su gran
adaptabilidad a los diferentes climas y ambientes, es una planta muy común se pretende pulverizarla para
extraer de ella un polvo que mezclado con poliuretano sirva como insumo para la construcción de un
absorbedor de ondas de forma planar, es de recordar que el cactus se le atribuye la propiedad de
absorbedor de ondas electromagnética, no se tiene un registro científico sobre tal afirmación solo se cree
que por el hecho de poseer una gran cantidad de agua almacenada sea un excelente absorbedor. (López,
2011)
Cañaguate
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Árbol de madera durísima, tronco recto y delgado cuya principal característica son los ramos enhiestos de
bellísimas flores amarillo-dorado que echa durante el verano. Antes de la floración permanece cubierto de
hojas ovoidales de textura aterciopelada y verde opaco, que se caen totalmente cuando aparecen las flores,
quedando vestido únicamente con los profusos ramos amarillos. Su fruto es una vainilla larga y enroscada
donde vienen las semillas. Su madera se utiliza en la fabricación de muebles, puertas y ventanas. Pertenece
a la familia de las bignoniáceas, especie Tebebuia chrysantha y su nombre científico es: Tecoma spectabilis.
En algunas regiones le llaman chicala o chicalá y en Venezuela araguaney. Al igual que con el cactus se
piensa utilizar madera (cañahuate) que es un árbol muy abundante en la Guajira Colombiana, se planea
pulverizar para mezclarlo con poliuretano para utilizarlo como insumo para la construcción del absorbedor
con geometría planar. (Araujo, 2011)
Poliuretano
El poliuretano es un agente químico, ampliamente utilizado en diversos procesos industriales. Fue en 1937,
cuando el químico alemán, Otto Bayer, logró la primera sintetización del poliuretano. Su fabricación a nivel
industrial, comenzó en los inicios de la década de los 40, hoy en día, el poliuretano, es muy usado en
fabricación de pinturas sintéticas, destacándose, la de los automóviles. Las cuales logran una alta
adherencia al metal y gran resistencia a la inclemencia del tiempo. Ya sea en verano o en invierno.
Asimismo, el poliuretano, en la actualidad, también es utilizado en la fabricación de espumas. Incluso en la
fabricación de paneles aislantes, para cámaras frigoríficas. Logrando un muy buen aislamiento del frío.
Proceso que requiere de la inyección de agua, en el poliuretano. Lo que provoca que el material, se infle
literalmente. Pero la gracia en su utilización como aislante, es que a diferencia de las esponjas normales, las
cuales presentan poros abiertos, el poliuretano logra un acabo sin poros. Sin aquella cualidad, sería inútil su
utilización en el campo de la refrigeración industrial.
El poliuretano es por lo general la mezcla de dos componentes o sistema bicomponente, el A y el B, en una
proporción estequiométricamente definida por el químico que diseña la fórmula. Existen además
poliuretanos monocomponentes, como por ejemplo los habitualmente usados en la industria de la
construcción. Este material es de muy bajo costo y abundante en el mercado, se utilizará como el insumo
con lo que se mezclaran los otros componentes del absorbedor. (Chem-Trend 2011)
8. Metodología a utilizar (utilice mas páginas de ser necesario)
Tipo de investigaciónEsta investigación es del tipo proyectiva, debido a que implica el diseño y creación de un dispositivo como
solución a una situación determinada a partir de un proceso investigativo.” (Hurtado, 2008)
Diseño de investigación
El diseño de investigación es de fuentes mixtas porque abarca tanto fuentes documentales como pruebas
experimentales en el laboratorio. La investigación parte de consultas y revisión de diversas fuentes
bibliográficas, como libros, textos y autores para brindar todo el apoyo teórico a la investigación. Para
© Postgrado de Ingeniería, 2003
reforzar y establecer los criterios teóricos que sustenten la evaluación se harán pruebas de laboratorio con
el fin de cuantificar o medir la eficacia del absorbedor planar a base de carbón mineral, cactus, poliuretano,
madera pulverizada (cañahuate).
En la estructura planar que se pretende utilizar Como absorbente, para cada cantidad de material se puede
calcular su conductividad σ y permitividad relativa , además, se puede distribuir arbitrariamente estos
parámetros y fijar la cantidad total del absorbente. Es de anotar que la libertad que existe para escoger los
materiales de las distintas capas, el diseño de absorbentes es muy complejo. En primer lugar, la mayoría de
los dieléctricos utilizados en absorbentes tienen lo que hace difícil conseguir una impedancia lo
suficientemente grande como para que se aproxime a . Para reducir la constante dieléctrica efectiva a
se podría pensar en utilizar un material como es el caso de polímeros de muy baja densidad.
La idea principal es colocar el absorbedor de ondas electromagnéticas entre la antena emisora y la antena
receptora de la señal de la onda electromagnética, para ello se tendrá en cuenta cuanta energía se
reflejara, y por supuesto la energía que absorberá.
Las dimensiones de este absorbedor de ondas electromagnéticas a base de madera
pulverizada(cañahuate), carbón mineral (cerrejón Colombia), cactus pulverizado y poliestireno, tendrá las
siguientes medidas 23cm de ancho, por 30 cm de altura; cada una de las capas serán uniformes de 1cm
cada una. Cada material se mezclará con poliuretano tomando en cada muestra patrón su masa, y de
acuerdo a la efectividad del insumo así será su cantidad, luego de realizar las mediciones en el
departamento de física eléctrica de la Universidad del Zulia Maracaibo. Es de aclarar que el grosor de las
capas estará sujeto al grado de efectividad del material como absorbedor de ondas electromagnéticas.
Para este proyecto se construyó de un molde hecho con marcos de madera con un espesor de 5 cm tendrá
tres capas conformadas de cañahuate pulverizado, cactus pulverizado y carbón mineral; para la
consistencia y maleabilidad de los materiales se mezclara con poliuretano.
FASE 1
(Diseño y Construcción de las placas absorbentes)
Para la primera fase se construirá 3 moldes de madera con un espesor de 5cm para garantizar la
uniformidad de las capas.
Se mezclara poliuretano con:
a. madera (cañaguate)
b. Carbón mineral.
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c. Cactus (yotojoro)
Cada mezcla se depositará en cada molde, se tomaran los tiempos para medir el tiempo de secado.
FASE 2
(Caracterización)
Se someterá a prueba cada capa por separado en el laboratorio
Se tabularan los resultados obtenidos para ser comparados
Se unirán las tres capas para someterse a prueba y comparar los resultados con los resultados
individuales de cada capa.
Conclusiones de las mediciones hechas.
9. Viabilidad de la investigación (utilice mas páginas de ser necesario)
Para garantizar que los resultados sean confiables, se cuenta con el docente asesor Manuel Briseño
(catedrático de la Universidad del Zulia), la coordinadora del programa de física aplicada (Maríanela Navas)
y un excelente equipo de laboratorio que cuenta con los equipos necesarios para hacer las mediciones en
el laboratorio de comunicaciones de la Universidad del Zulia. Dado el gran prestigio de los docentes de este
claustro de orden superior al igual que el de su planta física, se piensa que los resultados obtenidos serán
óptimos.
10. Resultados esperados de la investigación y estrategias de difusión o implementación (utilice mas páginas de ser necesario)
Las mediciones que se pretenden desarrollar actualmente han demostrado ser confiables para poder llevar
a cabo los experimentos de radiación, dado la optimización de los equipos del laboratorio de
comunicaciones de la Universidad del Zulia en la facultad de ingeniería. El material absorbente de ondas
electromagnéticas desarrollados serán puestos a experimentación para caracterizar las buenas
características de absorción, una vez finalizado este proceso de caracterización, se efectuaran montajes
experimentales que permitan desarrollar una amplia gama de experimentos con radiación electromagnética,
ya sea empleando un tipo de radiación a la vez o en conjunto, lo cual nos brindará una diversidad de
caminos a seguir a fin de conseguir controlar de manera óptima, la profundidad de penetración de la
radiación y la focalización de la energía depositada en el material radiado. Se espera obtener una
caracterización detallada en lo que respecta a propiedades absorbentes de los materiales usados en el
diseño(coeficiente de absorción y reflexión) a si como el efecto de la geometría en el diseño del absorbedor
planar. De la investigación se espera obtener mediciones concretas de las propiedades del cactus como
© Postgrado de Ingeniería, 2003
absorbedor, dado que no existe una caracterización sistemática y científica de las propiedades del cactus,
por lo que la investigación constituirá un gran aporte.
© Postgrado de Ingeniería, 2003
11. Cronograma de actividades
12. Otros logros del proyecto
. la presente propuesta ofrece la oportunidad de construir absorbedores con elementos del medio, dado que
los absorbedores de uso comercial son escasos y costosos, de resultar positivo los elementos usados en la
© Postgrado de Ingeniería, 2003
FECHA ACTIVIDAD OBJETIVO ESPESOR DE CAPAS
HORA RESPONSABLE LUGAR
Sem
ana
1
entrevista con asesor
orientación sobre las líneas a seguir para el diseño del absorbedor de forma planar
10:00am
Manuel Briseño Carlos Alfaro Camargo
laboratorio de física eléctrica
Sem
ana
2
adecuación de equipos de laboratorio
adecuar el espacio del laboratorio para el inicio de las mediciones
10:00am Manuel Briseño Carlos Alfaro Camargo
laboratorio de física eléctrica
Sem
ana
3
primera medición
presentar el absorbedor planar para medir su efectividad
5 cm carbón, con poliuretano
10:00am Manuel Briseño Carlos Alfaro Camargo
laboratorio de física eléctrica
Sem
ana
4
segunda medición
Medir el nivel de atenuación y reflexión de la capa de yotojoro con poliuretano
5 cm cactus, mezclado con poliuretano
10:00am Manuel Briseño Carlos Alfaro Camargo
laboratorio de física eléctrica
Sem
ana
5
tercera medición
Medir el nivel de atenuación y reflexión de la capa de cañaguate con poliuretano
5 cm de cañahuate, mezclado con poliuretano
10:00am Manuel Briseño Carlos Alfaro Camargo
laboratorio de física eléctrica
Sem
ana
6
cuarta medición
Interponer las tres capas
15 cm carbón, cañaguate,carbón y poliuretano
10:00am Manuel Briseño Carlos Alfaro Camargo
laboratorio de física eléctrica
Sem
ana
7
comparación y grafico de los resultados obtenidos
obtención de los coeficientes reflexión y atenuación
10:00am Manuel Briseño Carlos Alfaro Camargo
laboratorio de física eléctrica
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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© Postgrado de Ingeniería, 2003
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VII. DATOS DE LA PRESENTACIÓN
© Postgrado de Ingeniería, 2003
Lugar: Fecha:Hora:
VIII. ASISTENCIANombre Firma Observaciones
© Postgrado de Ingeniería, 2003
Maracaibo, ____ de ___________ de 2003
_______________________________Nombre y Apellidos del estudiante
C.I. :
_______________________ _______________________Nombre y Apellidos del tutor Nombre y Apellidos del co-tutor C.I. : C.I. :
(si es el caso)
_______________________________Nombre y Apellidos del Coordinador del Programa
C.I. :
IX. ESPECIFICACIONES GENERALES PARA EL LLENADO DEL FORMATO DP-3-APT.
© Postgrado de Ingeniería, 2003
1. Máximo de 20 páginas
2. RESUMEN: (150-300 palabras): Identifique el problema y describa el
objeto de investigación, como será analizado y los resultados que se
esperan de la investigación
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Describa de forma amplia el problema
o situación de estudio de la investigación y las interrogantes que
habrán de guiar el proceso.
4. JUSTIFICACIÓN: Describa las razones por las cuales se realiza la
investigación y sus posibles aportes teóricos o prácticos. Una
justificación adecuada de las interrogantes planteadas debe ir
acompañada de las posibles contribuciones al conocimiento que
aportará la investigación y el lugar que ocupa en los adelantos
tecnológicos actuales.
5. OBJETIVOS GENERALES: Defina en forma global lo que se espera lograr
con la investigación
6. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Identifique los logros particulares esperados a
través de los cuales se alcanzarán los objetivos generales. Es
importante distinguir entre los objetivos específicos y las actividades o
medios para lograrlos. Son las metas trazadas para llegar al resultado.
7. HIPÓTESIS: (si aplica) Es una proposición enunciada en forma afirmativa
que responde a un problema de manera tentativa. Generalmente, se
plantean para investigaciones de nivel explicativo y en algunas
ocasiones, en investigaciones de nivel exploratorio y descriptivo.
8. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN: Conjunto de estudios y trabajos
previos, así como conceptos y términos relacionados directamente con
el problema planteado.
9. METODOLOGÍA A UTILIZAR: Técnicas, instructivos y procedimientos que
se piensan utilizar en la investigación
10. VIABILIDAD DE LA INVESTIGACIÓN: Conjunto de elementos técnicos,
financieros, institucionales y otros que garanticen el desarrollo de la
investigación.
11.RESULTADOS ESPERADOS DE LA INVESTIGACIÓN Y ESTRATEGIAS DE
DIFUSIÓN O IMPLEMENTACIÓN: Definir en relación a los objetivos
planteados y la productividad esperada, los posibles resultados del
proyecto y las estrategias para su difusión o implementación.
12.CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES: Indique el tiempo necesario para llevar
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a cabo cada fase del proyecto, así como la duración total del mismo.
13.OTROS LOGROS DEL PROYECTO: Indique si el proyecto generará
relaciones interinstitucionales, así como las contribuciones hacia la
producción de nuevos trabajos y proyectos. Registre otros datos que
considere importantes, por ejemplo, el impacto del proyecto en el
avance o solución de problemas asociados con el entorno socio-
cultural, tecnológico o al desarrollo regional, nacional o continental.
14.ACOMPAÑAR ESTE FORMATO CON LOS CURRÍCULA DE LOS
INVESTIGADORES PARTICIPANTES
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